표준규격 ‘EMVA1288’ 전격 도입한 Phantom 고속카메라
Phantom 고속카메라 제조업체로 잘 알려진 미국의 비전리서치는 최근 Phantom 고속카메라에 표준규격인 ‘EMVA1288’를 전격 도입해 눈길을 끌고 있다.
Phantom 카메라를 국내 유통하고 있는 코미는 최근 “비전 리서치는 카메라 센서의 밝기를 나타내는 ISO 규격이 카메라의 성능을 나타내는데 정확한 규격이 아님을 인지하고, 표준화된 EMVA1288 규격으로 테스트한 결과로 카메라의 성능을 판단하도록 하는 것이 가장 좋은 방법이라고 판단했다”며 “이미 Machine Vision camera에 사용되고 있는 EMVA1288 표준 규격에 따라 Phantom 고속카메라를 테스트하고 그 결과값을 2023년부터 발간하는 모든 제품 카탈로그에 공개적으로 게재하기 시작했다”고 설명했다.
‘EMVA1288’ 표준규격이란?
아직까지 고속카메라로 촬영한 이미지의 품질을 업계에서는 ISO 값으로 나타내고 있다. 그러나 ISO 값은 이미지의 gain값만을 조절하여 카메라의 이미지를 밝게 표현하고 있다. Gain를 조절해서 ISO 값을 높일 경우 이미지의 밝기가 좋아 화질이 좋은 것으로 보이겠지만, 밝게 조절된 이미지로 인해 어두워서 보이지 않는 이미 지의 중요한 데이터를 상실할 수도 있다는 것을 간과해서는 안 된다. 보이지 않는 이미지의 데이터까지 안전하게 보관하고 영상을 분석하기 위해서는 순간 보이는 카메라의 이미지만이 아니라, 촬영하여 얻은 모든 데이터를 얼마나 높은 관용도를 가지고 잘 표현 하는 지도 반드시 확인해야 하고, 카메라의 성능이 얼마나 우수한 지도 잘 파악해서 선택해야 하는 것이다.
그렇다면 어떻게 카메라의 성능과 이미지의 품질을 확인할 수있을까? 그것은 바로 ‘EMVA1288’ 표준규격이다. 이 표준은 측정 프로세스에 대한 간결한 정의와 명확한 설명을 제공하고, 카메라및 센서의 사양 정보에 대한 빠르고 포괄적이며 일관된 액세스를 제공한다. 이를 통해 카메라를 비교하려는 사용자나 이미지 센서 또는 카메라의 성능 사양을 기반으로 시스템 성능을 계산하려는 사용자에게 카메라의 성능과 이미지의 품질을 확인할 수 있는 유용한 팁을 제공한다.
EMVA1288 관련 주요 용어
EMVA1288 표준규격에는 Quantum Efficiency, Overall system gain, Temporal dark noise, AST(절대감도임계값) 등많은 용어가 있지만, 그 중에 대표적인 용어 몇 가지를 알아본다.
Quantum Efficiency: Quantum Efficiency(QE, 양자효율)은 지정된 파장(λ)에서 전자로 변환된 광자의 비율(%)로 측정된다. 532nm에서 EMVA QE를 측정한 것이며, 센서의 스펙트럼 반응 곡선은 다른 파장에서의 QE 값을 제공한다. QE가 높을수록 감광 도가 높아진다.
Overall System Gain: Overall System Gain은 ‘Conversion Gain(=system gain)’과 유사하다. conversion gain은 입력 포톤 대비 출력 이미지 레벨의 효율을 의미한다. 정확히는 electron(전 자) 대비 digital gray value(디지털 그레이 레벨), 즉, 1개의 전자가 몇 그레이 레벨로 표현되는지를 의미한다. PTC(Photon Transfer Curve)와 conversion gain과 같이 카메라의 성능을 측정하는 지표는 EMVA 1288 표준에 정의되어 있다. Gain이 더 높은 카메라는 FWC(Full Well Capacity)가 감소하여 더 빨리 포화 된다. FWC가 낮을수록 다이내믹 레인지가 낮아진다.
Temporal Dark Noise: ‘Read Noise’라고도 알려진 Temporal Dark Noise는 센서에 입사광이 없을 때(예: 렌즈 캡을 씌운 경우) 이미지에 나타나는 노이즈이다. 이것의 값이 낮을수록 다이내믹 레인지와 저조도 성능이 향상되고 전반적인 이미지 품질이 향상 되어 보다 정확한 분석이 가능하다.
SNR: Signal-to-Noise Ratio(SNR, 신호대잡음비)는 Shot Noise 가 지배하는 포화 상태(saturation)에서 Noise에 대한 Signal의 이론적 최대 비율이다. SNRmax(dB)는 20*log(sqrt(μe.sat))이 므로 포화 용량이 높을수록 SNR도 높아진다. SNR이 높을수록 더우수한 이미지 품질을 나타낸다.
AST: Absolute Sensitivity Threshold(AST 절대감도임계값)은 픽셀이 노이즈와 동일한 신호를 생성하는 데 필요한 광자 수이다. 이것의 숫자가 낮을수록 센서가 저조도 응용 분야에서 세부 사항을 더 잘 식별할 수 있다.
Saturation Capacity: Saturation Capacity(포화용량)은 포화 상태에서 픽셀이 저장할 수 있는 전하량이다. 포화 용량은 '완전 유정 용량'(FWC)과 유사하다. 이것의 값이 높을수록 SNR(max) 이 높아져 빛이 증가할수록 신호 품질이 좋아진다.
Dynamic Range: Dynamic Range(동적범위)는 포화 용량과 리드 노이즈 간의 비율이다. DR이 높을수록 어두운 곳에서 밝은 곳까지 더 많은 빛의 조도를 해결함으로써 더 좋은 이미지 품질을 만들어낸다.
Spatial Nonuniformities: Spatial Nonuniformities(공간적 불균일성)은 CMOS 제조공정으로 인해 모든 센서 내에 존재한다. 여기에는 △ dark signal Nonuniformity(DSNU 다크신호불균일 성)으로 알려진 픽셀에서 픽셀까지의 dark signal의 작은 변화와 △ Photo Response Nonuniformity(PRNU 광반응불균일성)로 알려진 빛에 대한 픽셀 반응성의 작은 변화가 포함된다. DSNU 및 PRNU 값이 낮을수록 공간 균일성이 향상된다.
Linearity: Linearity(선형성)은 센서에서 생성되는 입력 광과 출력 신호 간의 관계이다. 이론적으로 빛이 2배 증가하면 이에 상응 하는 신호 반응이 생성된다. 오류는 포화 용량의 5%에서 95% 사이의 선형 회귀선에서 나온 신호의 편차이다. 선형성이 빠르게 감소하는 포화 근처에서 오류가 크게 영향을 받을 수 있다. 이것의 값이 낮을수록 측정 정밀도가 높아진다.
Dark Current Noise: Dark Current Noise(암전류 노이즈)는 센서 내에서 열에 의해 생성된 전자의 흐름으로 인해 발생하는 노이 즈이다. 센서 온도가 높고 노출 시간이 길어질수록 Dark Current Noise 경향이 나타낸다. 스틸 카메라나 저속 카메라에서는 유효한 문제이지만 고속 카메라에서는 높은 프레임 속도(즉, 낮은 프레임 시간)와 그에 따른 낮은 노출 시간으로 인해 그 효과는 무시 해도 될 정도이다. 이는 단순히 EMVA 테스트 파트 중 하나이다.
위에서 설명한 것처럼 EMVA1288 표준규격은 많은 용어와 이론에 대한 세트를 확립한 것이다. EMVA1288을 사용하는 이유는 EMVA는 센서 수준 성능에서 완전한 이론적 모델을 사용하며 EMVA는 전체 매개변수 세트를 포함하는 필수 보고서를 요구하고, 매개변수 간의 수학적 연결이 이루어지기 때문이다. 이와는 달리, ISO는 보이는 이미지 모습만을 보고, 한 가지 측면만 보고 말하며, 잠재적으로 ISO는 높은 값의 결과를 얻기 위해 다른 매개변수를 조작할 수 있다.
EMVA1288 표준규격 도입한 Phantom 카메라
▲ Phantom T4040/T2540/T3610/T2410/TE2010 고속카메라 바디
다음은 Phantom T4040 mono 고속카메라에 대한 EMVA1288 결과값으로 532nm 파장으로 테스트한 값이다.
다음은 Phantom 고속카메라 모델별로 EMVA1288 사양을 나타낸 표이다.
자료제공: 코미 대표 이은일 Phantom 고속카메라 한국공식대리점,
코미 www.komiweb.co.kr Tel. 031-251-2114 / 010-5091-2705
